变频器应用技术.docx

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变频器应用技术

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绪论

一、概述

1．与其他专业课程的关系：

“变频器应用”是“数学”、“物理”、“电工基础”、“电子技术”、“电力电子技术”、“电力拖动”等课程的后续课程，同时又与“交直流调速系统”、“ＰＬＣ控制技术”等专业课程有着横向联系。

2．概述：

变频器是由计算机控制电力电子器件、将工频交流电变为频率和电压可调的三相交流电的电气设备，用以驱动交流电动机进行变频调速。

二、变频器的发展历程

1．直流调速系统的优缺点：

2．交流调速系统的优缺点：

3．变频器的诞生和发展：

微电子技术和电力电子技术的发展、计算机技术的发展

三、我国变频器的应用现状

1．起步较晚

2．目前，进入“黄金时期”

3．变频调速的效果

4．变频器的应用，目前不足十分之一，原因；奠定学生学习的动力。

四、变频器的发展趋势

1．向专用型方向发展

2．向人性化方向发展

3．易用性不断提高

4．功率结构模块化

5．智能化

6．减小谐波影响

五、课程的性质和任务

“变频器应用”是一门应用性较强的专业课程，课程的主要任务是使学生深入掌握变频器应用的基础知识和基本技能。

六、课程特点及学习的要求

1．涉及面广变频器是高科技的产品，技术含量高。

2．实践性强侧重变频器的应用。

3．无重点─又都是重点与应用有关的任何知识都是重点，细小的疏忽也会导致严重问题

4．学习中要处理好以下几个关系：

（1）理论分析的基础性、连贯性与实用性

（2）与其他专业课程知识的关系：

一方面他为我用，另一方面我为他用。

（3）具体的应用方法与一般的应用能力──前者是学习的形式，后者是学习的目的。

5．要求与考核标准

（1）课堂要求

（2）作业要求

（3）成绩评定

a、作业、测验成绩

b、纪律成绩

c、印象成绩

d、期末试卷成绩

第一章基础知识

第一节三相异步电动机

在变频调速拖动系统中，使用的电动机大多数是三相异步电动机。

为了说明变频器的功能和应用，有必要先了解三相异步电动机的相关知识。

一、三相异步电动机的工作原理

1．旋转磁场与转差率

（1）旋转磁场的转速（同步转速n1）

n1=60ƒ1/p

式中：

n1——旋转磁场转速，又称为同步转速，单位为r/min；

ƒ1——电源的频率，单位为Hz；

p——旋转磁场的磁极对数。

n1的旋转方向由电源的相序决定：

若电源为顺相序，同步转速n1为顺时针旋转方向，当将三相电源的任意两相对调（即电源为逆相序），n1则为逆时针方向。

（2）转差率s

根据结构不同分转子笼型变频调速中采用

线绕型变频调速中可以用，但较少采用

转速差△n即△n=n1-n

式中：

转子的转速---n

旋转磁场的转速---n1

转差率s即s=（n1-n）/n1

s是分析异步电动机运行状态的重要参数。

起动瞬间，n=0，s=1；额定转速运行时，s很小，约为0.02～0.06；空载运行时，n略小于n1，s≈0。

（3）转子转速nn=（1-s）60ƒ1/p

转子转速n与电源频率ƒ1、磁极对数p、转差率s有关。

三相异步电动机的调速方式有：

变频（ƒ1）调速、变极（p）调速、变转差率（s）调速。

2．三相异步电动机的电磁特性

（1）感应电动势E1E1=4.44K1N1ƒ1Φm

式中:

E1——定子绕组的感应电动势有效值

K1——定子绕组的绕组系数，K1<1

N1——定子每相绕组的匝数

ƒ1——定子绕组感应电动势的频率，即电源的频率

Φm——主磁通

可见：

E1∝ƒ1Φm

将△U忽略，则E1≈U1∝ƒ1Φm

（2）U1/ƒ1=常数

异步电动机是根据其工作在额定电压、额定频率以及额定磁通下进行设计的,其磁通Φm选在了铁芯磁化曲线的接近饱和处。

Φm的大小关系到电动机的电磁转矩，并与电动机的工作电流成正比。

如ƒ1下降，U1不变，则Φm上升。

因为Φm已设计在接近饱和处，Φm上升即进入磁化曲线的饱和区，引起工作电流大幅度增加，使电动机过热损坏。

如ƒ1上升，U1不变，则Φm下降，将使工作电流下降。

由于电流的下降，电动机的输出转矩不足。

为了保持电动机的Φm不变，即电动机的转矩不变，在ƒ1变化的同时，U1必须同时变化，使U1与ƒ1的比值保持恒定，即U1/ƒ1=常数

变频器在工作时，有时ƒ1调的很低，同时U1也很低。

此时定子绕组上的电压降△U在电压U1中所占的比例不能忽略。

由于△U所占比例增加，将使定子电流减小，从而使Φm减小，这将引起低速时的输出转矩减小。

此时，可提高U1来补偿△U的影响，使得E1/ƒ1不变，即Φm不变，这种控制方法称为电压补偿，也称为转矩补偿。

二、三相异步电动机的机械特性

电动机的电磁转矩T与转子转速n之间的关系，称为电动机的机械特性，即n=ƒ（T）如图所示

下面讨论曲线上几个特殊的转矩：

Tst、TN、TM

三、三相异步电动机的调速

1．变极调速

三相异步电动机的变极调速是有级调速，通过改变磁极对数p，可以得到2:

1调速、3:

2调速、4:

3调速及三速电机等，调速的级数很少。

由于磁极对数p取决于定子绕组的结构，而且笼型转子的极数能自动地保持与定子极数相等，所以此调速只适用于特制的笼型异步电动机，这种电动机结构复杂，成本高。

2．变转差率调速

变转差调速一般适用于线绕型异步电动机或滑差电动机。

具体的实现方法很多，比如：

转子串电阻的串级调速、调压调速、电磁转差离合器调速等等。

随着s的增大，电动机的机械特性变软，效率降低。

3．变频率调速

变频调速具有调速范围宽，调速平滑性好，调速前后的不改变机械特性硬度，调速的动态特性好等特点。

根据电动机理论，当ƒ1较高时，忽略定子绕组电阻，最大电磁转矩TM∝（U1/ƒ1）2、临界转差率sL∝1/ƒ1、对应临界转速的转速差△n=sLn1=sL60ƒ1/p为常数、起动转矩Tst∝U21/ƒ13；当ƒ1较低时，定子绕组电阻的影响不可忽略，最大电磁转矩TM随着频率的减小而减小、转速差△n仍为常数、Tst随着频率减小而减小。

按照上述分析，可以大致了解变频调速的机械特性，如图所示。

下面分两种情况进行说明。

基频以下的恒磁通变频调速

调速时，通常以电动机的额定频率为基本频率,即基频。

在基频以下调速时，须保持E1/ƒ1恒定即保持主磁通Φm恒定。

由于E1难以直接控制，ƒ1较高时，保持U1/ƒ1恒定，即可近似地保持主磁通Φm恒定。

由于TM∝（U1/ƒ1）2，保持U1/ƒ1恒定时，TM恒定，电动机带动负载的能力不变；而且此过程中，转速差△n基本不变，所以调速后的机械特性曲线平行地移动，电动机的输出转矩不变，属于恒转矩调速。

当ƒ1较低时，若仍由U1/ƒ1恒定来代替E1/ƒ1恒定，会带来较大的误差，TM和Tst随着频率的减小而减小，电动机带动负载的能力变小。

此时，若仍由U1/ƒ1恒定来代替E1/ƒ1恒定，可采用电压补偿方法，即适当提高电压U1，目的是补偿定子阻抗压降，近似保持E1/ƒ1恒定，提高电动机带动负载的能力，其机械特性曲线如图虚线所示。

基频以上的弱磁变频调速

由于电动机不能超过额定电压运行，所以频率由额定值向上升高时，定子电压不可能随之升高，只能保持在额定值不变。

这样必然会使Φm随着ƒ1的升高而下降，类似于直流电动机的弱磁调速。

由于TM∝（U1/ƒ1）2，保持U1恒定时，TM随着ƒ1的升高而下降，电动机带动负载的能力变小；随着ƒ1的升高，Φm下降，电磁转矩T下降，而转速上升，属于近似恒功率调速。

第二节三相异步电动机的起动和制动

从提高劳动生产率的角度看，电动机起动时间、制动时间越短越好。

但是由于三相异步电动机起动和制动的具体特点，起动时间、制动时间又不能太短。

一、起动

1.要求：

有不太大的起动电流但是直接起动时情况恰恰相反

足够大的起动转矩

动态转矩△T很小

2．低频起动：

在变频调速拖动系统中，变频器用降低频率ƒ1（从而也降低了U1）的方法来起动电动机。

启动过程如下图。

优点：

转速差△n被限制在一定的范围，起动电流也将被限制在一定的范围内，而且动态转矩△T很小，起动过程很平稳。

二、制动

电动机的制动状态是指电磁转矩T与转子转速n方向相反的状态。

三相异步电动机的制动方式有直流制动、回馈制动和反接制动，通常反接制动在变频调速系统中应用很少，下面介绍前两种制动方式。

1．直流制动

（1）原理电动机制动时，切断电动机的三相电源，在定子绕组中通入直流电，产生一恒定磁场。

由于转子在机械惯性作用下仍按原方向旋转，它切割恒定磁场产生感应电流，用左手定则可判断感应电流在磁场中受力方向，从而可判断电磁转矩方向与转子转速方向相反，为制动转矩。

（2）直流制动过程由电动运行状态的A点平跳至曲线

的B点，在制动转矩和负载转矩共同作用下沿着曲线

减速，直到n=0，直流制动结束。

（3）实质将转子中储存的机械能转换成电能，并消耗在转子电阻上。

（a）直流制动的原理（b）直流制动的机械特性曲线

为原电动运行状态机械特性曲线

为直流制动运行状态机械特性曲线

2．回馈制动

（1）原理由于某些原因，当n>n1时,则转子切割旋转磁场的方向和电动运行状态（n

（2）实质将轴上的机械能转换成电能，回馈给电源。

（3）下面分析两种不同的回馈制动情况：

起重机下放重物时由于重力作用，电动机转速n沿曲线

增加，当n>n1时,电磁转矩T为制动转矩，直到T=TB=TL，工作点由A点移至B点，重物以nB匀速下放。

变频调速时ƒ1降低瞬间，由于机械惯性，电动机转速n来不及变化，工作点由A点平跳至C点，于是得到制动转矩TC，使电动机沿着曲线

减速。

曲线

第一象限为电动机电动运行状态。

曲线

第二象限起重机下放重物时电动机处于回馈制动状态

曲线

第二象限频率降低时电动机处于回馈制动状态

廊坊职业技术学院教案首页

课程名称

变频器应用技术

班级

高职04自1班

计划课时

2

周次

1

授课方法

讲授

教具

尺

教学内容

§1基础知识

教学目的

1.复习电力电子器件、PWM原理

2.掌握逆变电路的变压变频原理

3.掌握变频器各组成部分及其功能

4.了解变频器分类

重点、难点

1.逆变电路的变压变频原理

2.制动的原理

复习提问

1.三相异步电动机在变频的同时须变压的原因

作业

习题：

1-15、1-16、1-17

课后小结

1.常见IGBT等电力电子器件结构和特性的介绍

2．SPWM逆变电路的变压变频原理

3．变频器的组成、分类

第三节电力电子器件简介

在定性分析变频电路时，可将电力电子器件作为理想开关来对待，其理想伏安特性曲线如图所示

一、晶闸管（SCR）

1．结构：

晶闸管内部是四层（PNPN）半导体器件，有三个引出极分别为阳极A、阴极K、门极G，其电气图形符号和内部等效电路如图所示。

（a）电气图形符号（b）内部等效电路（c）伏安特性曲线

2．特性：

SCR的阳极伏安特性曲线表示其阳极电压和阳极电流关系。

晶闸管的触发导通条件是在阳极和阴极间加正向电压，同时在门极和阴极间也加正向电压。

当两者同时具备时，则有电流IG从门极流入V2管的基极，经V2管放大产生集电极电流IC2，IC2又是V1管的基极电流，再经V1管放大，其集电极电流IC1又流入V2管的基极，如此循环产生强烈的正反馈，使两个晶体管快速饱和导通。

晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用。

若要使晶闸管关断，只要阳极电流IA小于维持电流IH，上述正反馈无法维持，管子自然关断。

维持电流IH是保持晶闸管导通的最小电流。

3．优缺点：

SCR属于电流控制型元件，其控制电路复杂、庞大，工作频率低，效率低等缺点限制了它们的应用和发展。

SCR的优势在于电压、电流容量较大，目前仍广泛应用在可控整流和交-交变频等变流电路中。

二、门极可关断晶闸管（GTO）

1．结构

门极可关断晶闸管的三个引出极分别为阳极A、阴极K、门极G，其电气图形符号如图a所示。

GTO是一种多元功率集成器件，它是由十几个甚至数百个共阳极的小GTO元组成。

这种结构是为了便于实现门极控制其关断而设计的。

小GTO元内部是PNPN四层半导体结构，其等效电路如图b。

2．特性

GTO的阳极伏安特性曲线表示GTO阳极电压和阳极电流关系。

GTO的工作原理为：

当阳极加正向电压，门极加一合适的正向电流时，GTO的内部有一强烈的电流正反馈过程，使GTO浅饱和导通；当门极加一合适的反向电流，使GTO内部的电流正反馈无法维持，GTO退出浅饱和而关断。

3．优缺点：

GTO属于电流控制型元件，其驱动功率大，驱动电路复杂；GTO的关断控制易失败，工作频率不够高，一般在10KHz以下。

它的优势在于电压、电流容量较大，目前其电压可达到6000V、电流可达到6000A，因此GTO多应用于大功率高压变频器。

三、电力晶体管（GTR）

1．结构

单管GTR结构与普通的双极结型晶体管类似，由三层半导体（分别引出集电极c、基极b、发射极e）形成的两个PN结（集电结和发射结）构成，有NPN和PNP两种结构，多采用NPN结构，其电气图形符号如图所示。

变频器用的GTR一般是GTR模块，它是将两只或四只、六只甚至七只单管GTR或达林顿式GTR的管芯封装在一个管壳内，这样的结构是为了耐高压、大电流，开关特性好。

2．特性

GTR的伏安特性曲线表示GTR的基极电压和集电极电流的关系。

3．优缺点：

和普通晶体管一样，GTR也是一种电流放大器件，具有三种基本工作状态，即截止、放大、饱和。

在变频电路中，GTR作为开关器件，应在截止（关）和饱和（开）两种状态之间交替，不允许工作在放大状态，否则管子的功耗将增大数百倍，使管子过热损坏。

由于GTR的工作频率较低，一般在5～10KHz。

它又属于电流驱动型器件，其驱动功率大，驱动电路复杂，而且GTR耐冲击能力差，易受二次击穿损坏。

所以目前GTR的应用一般被绝缘栅双极晶体管（IGBT）所替代。

四、电力场效应晶体管（MOSFET）

1．结构

电力场效应晶体管（MOSFET）的三个引出极为：

源极S、漏极D、栅极G。

变频器使用的电力场效应晶体管一般是N沟道增强型，其电气图形符号如图所示，

2．特性

其伏安特性曲线反映了输出电压uDS和输出电流iD的关系，也称之为输出特性曲线。

MOSFET的工作特点是用栅极电压uGS控制漏极电流iD：

当0﹤uGS≤UGS（th）（开启电压）时，管子截止，无iD；当uGS﹥UGS（th），uDS加正压，管子导通，uDS越大则iD越大，在相同的uDS下，uGS越大，iD越大。

uGS与iD的关系称为PowerMOSFET的转移特性，其曲线如图所示.

3．优缺点：

MOSFET属于电压驱动型器件，输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单；开关速度快，开关频率可达500KHz以上。

MOSFET的缺点是电流容量小，耐压低。

五、绝缘栅双极晶体管（IGBT）

1．结构

IGBT是MOSFET和GTR取长补短相结合的产物，是具有栅极G、集电极C、和发射极E的三端元器件。

其等效电路和电气图形符号如图所示。

IGBT的控制部分与MOSFET相同：

电压控制型，控制信号为uGE，输入阻抗高，栅极电流iG约为零，驱动功率小；IGBT的主电路和GTR相同：

工作电流为iC。

2．特性

IGBT的输出特性曲线反映了输出电压uCE和输出电流iC的关系。

IGBT工作在开关状态时和GTR一样，在阻断状态和饱和导通状态之间转换，不允许在放大状态停留。

IGBT的工作特点是用栅极电压uGE控制集电极电流iC：

当uGE≤UGE（th）（开启电压）时，IGBT截止，无iC；当uGE﹥UGE（th）时，uCE加正压，IGBT导通，其输出电流iC与驱动电压uGE基本呈线形关系。

如图1-12b所示为IGBT的驱动电压uGE与输出电流iC的关系，此曲线称为IGBT的转移特性曲线。

3．优缺点：

IGBT的输出特性好，开关速度快，工作频率高，一般可达到20KHz以上，通态压降比MOSFET低，输入阻抗高，耐压、耐流能力比MOSFET和GTR提高，最大电流可达1800A，最高电压可达4500V。

目前，在中小容量变频器电路中，IGBT的应用处于绝对的优势。

六、集成门极换流晶闸管（IGCT）

IGCT是GTO的派生器件，其基本结构在GTO的基础上采取了一系列的改进措施，比如特殊的环状门极、与管芯集成在一起的门极驱动电路等等。

这使得IGCT不仅具有与GTO相当的容量，而且具有优良的开通和关断能力。

目前，4000A、4500V及5500V的IGCT已研制成功。

在大容量变频电路中，IGCT被广泛应用。

七、智能功率模块（IPM）

IPM是将大功率开关器件和驱动电路、保护电路、检测电路等集成在同一个模块内，是电力集成电路的一种。

这种功率集成电路特别适应逆变器高频化发展方向的需要，而且由于高度集成化，结构紧凑，避免了由于分布参数、保护延迟所带来的一系列技术难题。

目前，IPM一般以IGBT为基本功率开关元件，构成一相或三相逆变器的专用功能模块，在中小容量变频器中广泛应用。

第四节脉冲宽度调制（PWM）原理

一、脉冲宽度调制技术的概念

1．脉冲宽度调制（缩写为PWM）：

是通过按照一定的规则和要求对一系列脉冲宽度进行调制，来得到所需要的等效波形。

2．以变频调速常用的电路结构为例来说明PWM含义：

一般异步电动机需要的是正弦交流电，而逆变电路输出的往往是脉冲。

PWM控制的目的就是通过对逆变电路输出脉冲的宽度进行调制，使之与正弦波等效。

这样，虽然电动机的输入信号仍为脉冲，但它是与正弦波等效的调制波，那么电动机的输入信号也就等效为正弦交流电了。

二、PWM技术的基本原理

1．PWM技术的理论基础：

采样控制理论中的一个重要结论——面积等效控制原理

2．SPWM原理：

将一个正弦半波电压分为N等份，并把正弦曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，且矩形脉冲的中点与相应正弦等份的中点重合，得到脉冲列，这就是PWM波。

正弦波的另外半波也用同样的办法来等效，就可以得到与正弦波等效的脉宽调制波，又称其为SPWM。

SPWM波在变频电路中被广泛采用。

根据采样控制理论，N值越高（即脉冲频率越高），SPWM越接近正弦波，但脉冲频率一方面受变频器中开关器件工作频率的限制，另一方面频率太高，电磁干扰增大，要带来一些新的问题。

3．实际应用中SPWM波的形成：

调制方法调制波ur所希望生成的正弦波

载波uT等腰三角波或锯齿波

利用载波和调制波相的比较方式来确定脉宽和间隔。

4．按照调制脉冲的极性关系，PWM逆变电路的控制方式分单极性控制

双极性控制

三、单相桥式SPWM逆变电路分析。

1．单极性SPWM控制

设定载波uT、调制波ur，如图所示。

在ur正半周，让VT1一直保持通态，VT4保持断态。

当ur﹥uT时，控制VT3为通态，负载输出电压uo=Ud；当ur﹤uT时，控制VT3为断态，负载输出电压uo=0，此时负载电流可以经过VT1与VD2续流。

在ur负半周，让VT4一直保持通态，VT1保持断态。

当ur﹤uT时，控制VT2为通态，负载输出电压uo=-Ud；当ur﹥uT时，控制VT2为断态，负载输出电压uo=0，此时负载电流可以经过VT4与VD3续流。

这样，就得到了SPWM波uo，uof为uo的基波分量。

可见，在任一半个周期中，SPWM波只能在一个方向变化，故称为单极性SPWM控制方式。

由于改变ur的幅值时，调制波的脉宽将随之改变，从而改变输出电压的大小；而改变ur的频率时，则输出电压的基波频率也随之改变，所以这就实现了既可调压又可调频的目的。

2．双极性SPWM控制

设定调制波ur、载波uT，载波uT改为正负两个方向变化的等腰三角波，如图1-17a所示。

当ur﹥uT时，给VT1和VT3导通信号，而给VT2和VT4关断信号，负载输出电压uo=Ud；当ur﹤uT时，给VT2和VT4导通信号，而给VT1和VT3关断信号，负载输出电压uo=-Ud。

这样，就得到了SPWM波uo。

可见，在任一半个周期中，SPWM波在正、负两个方向交替，故称为双性SPWM控制方式。

改变ur的幅值和频率，即可达到调压、调频的目的。

四、变频器的三相桥式SPWM逆变电路

由电路结构可见，其控制方式为用双极性控制。

电路的开关器件采用IGBT，负载为感性。

其工作原理如下：

1．调频原理

U、V、W三相载波信号公用一个三角载波uT，三相调制信号urU、urV、urW为相位依次相差1200的正弦波。

改变三相调制信号urU、urV、urW的频率，即可变频器的输出频率，达到变频之目的。

U、V、W三相的IGBT控制规律相同，现以U相为例来说明电路的控制过程。

当urU﹥uT时，给VT1导通信号，给VT4关断信号，则U相相对于电源假想中点N¹的输出电压uUN′=Ud/2；当urU﹤uT时，给VT4导通信号，给VT1关断信号，则U相相对于电源假想中点N¹的输出电压uUN′=-Ud/2。

VT1和VT4的驱动信号始终是互补的。

当给VT1（VT4）加导通信号时，可能是VT1（VT4）导通，也可能是二极管VD1（VD4）续流导通，这要由感性负载中原来电流的方向和大小来决定，和单相桥式PWM逆变电路双极性控制时的情况相同。

V相和W相的控制方式和U相相同。

uUN′、uVN′和uWN′的波形如图所示。

线电压uUV的波形可由uUN′-uVN′得出。

若求负载的相电压可由式uUN=uUN′-（uUN′+uVN′+uWN′）/3求得，其波形略。

2．调压原理

变频器的调压和调频是同时进行的。

当将三相调制信号urU、urV、urW的频率调低（高）时，三个信号的幅度也相应调小（大），使得调制信号的U/ƒ为常数，或按照设定的要求变化。

若调制信号的幅度变小，则变频器的输出脉冲宽度变窄，等效电压变低；若调制信号的幅度变大，则变频器的输出脉冲宽度变宽，等效电压变高。

综上所述，变频器的调压调频过程是通过控制三相调制信号进行的。

在双极性SPWM控制方式中，理论上要求同一相上下两个桥臂的驱动信号互补，但实际上为了防止上下两个桥臂直通而造成电源短路，通常要求先加关断信号，再延迟△t时间，才给另一个施加导通信号。

延迟时间△t的长短主要由功率开关器件的关断时间决定。

由于这个延时将会给输出PWM波带来不利影响，使其偏离正弦波，所以在保证电路可靠工作的前提下，延迟时间要尽可能短。

第五节变频器的组成

变频器的组成：

主电路

控制电路

一、主电路功能：

将工频交流电变为频率和电压可调的三相交流电

输入R输出U

SV

TW

1．整流及滤波电路

功能：

将工频交流电整为直流，并滤波。

限流电阻的作用；

2．逆变电路

功能：

将直流逆变为频率和电压可调的三相交流电。

SPWM原理；

3．制动电阻和制动单元

原理

二、控制电路

1．主控制板单片机，变频器的控制中心。

其主要功能：

（1）-（7）

2．操作面板

包括键盘及显示屏等。

（1）键盘：

进行运行操作或程序预置；

运行键；

模式转换键；

读出、写入键；

数据增减键；

位移键；

复位键；

数字键。

（2）显示屏：

显示控制面板提供的各种显示数据。

分为两种：

其一，LED数码显示屏：

显示无单位的数字量和简单的英文代码；其二